水通道蛋白的发现与应用21页PPT
水孔蛋白ppt
Structural model of Arabidopsis
PIP2;1 拟南芥水孔蛋白PIP2;1 结构示意图
膜内在蛋白 ，几乎都含有六个跨膜区段，分别 由五个环相连。
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水通道 ••
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迄今为止，已在细菌、酵母、植物、昆虫和脊椎动物 中发现至少50余种水通道。
它的种类很多，仅人体就有11种，而植物的水通道蛋 白质数量更多。
AQP的功能 选择性
多功能性
AQp的调控
一、植物水孔蛋白转录水平的调控 1、干旱 2、光、温度、病菌感染、激素等 3、水孔蛋白mRNA的稳定性
水孔蛋白转录后的调节 1、植物水孔蛋白的磷酸化 2、植物水孔蛋白在细胞内和膜上的穿梭定位 3水孔蛋白的稳定性
3a 3b、3c
AQP的透水过程
• 为什么它只让水分子通过，却不允 许其他离子或分子通过？或者为什 么就连水分子与氢离子形成的水和 质子（H3O+）也无法从中通过呢？
（二）转运机理
细胞膜通道有一个很重要的特性，就是具有选 择性，而AQP的形状，正是它只能让水分子通 过的原因。
水分子成单一纵列进入弯曲狭窄的通道，通道 中的极性与偶极力会帮助水分子旋转，以适当 的角度通过狭窄的通道，而通道中有一个带正 电的区域，会排斥带正电的粒子，便可以避免 水和质子的通过。
水孔蛋白
1AQP的发现 2AQP的功能 3AQP的结构
4AQP的调节机制
AQP的发现
1920 年代以前,人们认为水分子以扩散机理通过细胞膜,但水凭借扩散方式 通过细胞膜的通量很低以及活化能很高,难以解释水分子以很快的速度大量 通过细胞膜的现象。 1950年代，人们发现水分子可以很快地通过选择性通道进入红细胞，而其 他溶质分子和离子则不能通过红细胞膜。 此后三十年研究表明，细胞膜上的水通道是一种具有高度选择性的过滤器， 在渗透梯度的驱动下，允许水分子通过，而质子则不能通过。 1988年，阿格雷从红细胞和肾小管中分离出一种功能为治的新的膜蛋白--CHIP28（AQP1）。 1991年，经过N2段肽链测序和整个cDNA序列测定获得了蛋白质的氨基酸 序列结构，证实了这就是一直寻求的水通道。 阿格雷与他的合作者用高分辨成像技术研究AQP水通道膜 蛋白，并在2000年公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度立 体结构图。
水通道蛋白
水通道蛋白水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的水泵”一样。
水通道是由约翰霍普金斯大学医学院的美国科学家彼得·阿格雷所发现，他与通过X射线晶体学技术确认钾离子通道结构的洛克斐勒大学霍华休斯医学研究中心的罗德里克·麦金农共同荣获了2003年诺贝尔化学奖。
水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，因此Aquaporin的蛋白构形为仅能使水分子通过之原因水通道蛋白的发现编辑Agre等(1988)在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28(channel-forming inte—gral membrane protein，CHIP28)，1991年完成了其cDNA克隆(Verkman，2003)。
但当时并不知道该蛋白的功能，在进行功能鉴定时，将体外转录合成的CHIP28 mDNA 注入非洲爪蟾的卵母细胞中，发现在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5 min 内破裂。
为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定及后来的抑制剂敏感性等研究，证实其为水通道蛋白。
从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28为Aquaporinl(AQPl)。
水通道蛋白分类编辑AQP0AQP0最初称之为主体内在蛋白(major intrinsic protein，MIP)，在晶状体纤维中细胞中表达丰富，与晶状体的透明度有关．AQpo的突变可能导致晶状体水肿和白内障。
小鼠缺乏AQPO将患先天性白内障[61]。
AQP1AQP1是1988年发现的,开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP),是人的红细胞膜的一种主要蛋白。
水通道蛋白
• 生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体
重量的70％。生物体内的水溶液主要由水分子和 各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出 可以实现细胞的很多功能。
• 20世纪50年代中期，科学家发现，细胞膜中存在
着某种通道只允许水分子出入，人们称之为水通 道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是 最重要的一种细胞膜通道。尽管科学家发现存在 水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。
• 水通道蛋白的简介 • 发现历程 • 发展前景
什么是水通道蛋白？
• 即蛋白质在膜内，形
成专门输送水的穿膜 通道，存在于红细胞 和肾组织中，由4个 相同的亚基组成，每 个亚基(28 kDa)含6个 穿膜α螺旋，极大地 增加膜的水通透性。
• 水通道蛋白是专门运输水的跨膜蛋白，其
基因结构、基因表达调控、染色体定位、 蛋白质结构、组织分布和生理功能得到了 较为深入的研究。
美国波士顿附近的小镇伯灵 顿长大，１９８２年在塔夫 茨医学院获医学博士，现为 洛克菲勒大学分子神经生物 学和生物物理学教授。
• 彼得•阿格雷，1949年生
于美国明尼苏达州小城诺 斯菲尔德，1974年在巴 尔的摩约翰斯•霍普金斯 大学医学院获医学博士， 现为该学院生物化学教授 和医学教授。2004年来 到杜克大学，担任医学院 副院长。
发展前景
• 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病
就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜 通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并 研制相应药物。
• 水通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前，
科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和 微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。 它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起 着关键的过滤作用。通常一个成年人每天要产生 170升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道 蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用， 最终只有约１升的尿液排出人体。
水通道蛋白
水通道蛋白水通道蛋白是介导水跨膜转运的一大膜蛋白家族，分布于高等脊椎动物上皮细胞或内皮细胞。
结构上由28-KDa 亚单位组成四聚体，每个亚单位构成孔径约的水孔通道，在渗透压驱动下实现水双向跨膜转运【1】。
目前11 种亚型已经在哺乳动物中被确定，各种亚型的体内分布具有组织特异性，其中水通道蛋白-4 (Aquaporin 4,AQP4)以极化形式集中分布于中枢神经系统脑毛细血管周边的星形胶质细胞足突或室管膜细胞【2】。
血脑屏障为脑内另一调控水平衡的复合体，由无窗孔的脑毛细血管内皮细胞及细胞间紧密连接、基底膜、星形胶质细胞等组成，介于血液和中枢神经系统之间，限制血液中某些离子、大分子物质转移到脑实质，此屏障作用为维持CNS 内环境稳定、保障脑功能正常行使提供了重要保障。
BBB 分化发育过程中脑毛细血管内皮细胞间紧密连接的形成虽被认为是其成熟的标志，但BBB 生理功能的实现有赖于各组成成分间的相互作用。
近来对星形胶质细胞调控BBB 物质交换和脑内水平衡方面的作用日益受到重视，并认为与AQP4 表达有关。
本文就AQP4 与血脑屏障发育及其完整性关系的研究进展作一综述。
分化发育过程中AQP4 的表达目前由于对鸡胚视顶盖中血管及BBB 分化的研究已较完善，因此常被用于BBB 的研究模型。
Nico 及其同事【3】采用免疫细胞化学、分子生物学技术研究了鸡胚视顶盖AQP4 在BBB 分化发育过程的动态表达。
免疫电镜显示鸡胚视顶盖发育第9 d，BBB仅由不规则的内皮细胞组成，内皮细胞间紧密连接尚未形成，AQP4 未见表达。
待发育至第14 d，Western blot 技术首次在约30 kDa 链附近检测出AQP4 的免疫活性，电镜下显示短的内皮细胞间紧密连接已形成，并串联构成BBB 的微血管，星形胶质细胞间断黏附于血管壁，AQP4 不连续地表达于血管周边，血管周围仍然存在小空隙。
发育第20 d BBB 成熟，内皮细胞间紧密连接形成，BBB 微血管被星形胶质细胞紧紧包被，血管周边星形胶质细胞足突上的AQP4 呈现强阳性表达，且冷冻断裂研究显示AQP4 的正交排列阵也同步形成。
水通道蛋白
发展前景
• 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病
就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜 通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并 研制相应药物。 水通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前， 科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和 科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和 微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。 微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。 它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起 它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起 着关键的过滤作用。通常一个成年人每天要产生 170升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道 170升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道 蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用， 最终只有约１升的尿液排出人体。
• 1988年，罗德里克·麦金农利用Ｘ射线晶体 1988年，罗德里克·
成像技术获得了世界第一张离子通道的高 成像技术获得了世界第一张离子通道的高 清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了 清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了 离子通道的工作原理。这张照片上的离子 通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金 通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金 农的方法是革命性的，它可以让科学家观 测离子在进入离子通道前的状态，在通道 中的状态，以及穿过通道后的状态。对水 通道和离子通道的研究意义重大。
• 生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体
高中生物必修1“科学前沿——授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”教学课件
授予诺贝尔化学奖 的通道蛋白研究
通道蛋白类型
水通道蛋白
离子通道蛋白
什么是水通道蛋白？
• 水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔 蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质 （内在膜蛋白），在细胞膜上组成 “孔道”，可控制水在细胞的进出， 就像是“细胞的水泵”一样。
Байду номын сангаас
• 水通道蛋白是专门运输水的跨膜蛋白，其 基因结构、基因表达调控、染色体定位、 蛋白质结构、组织分布和生理功能得到了 较为深入的研究。 • 水通道蛋白种类多，到目前为止仅在人体 细胞已发现11种水通道蛋白。
• 水通道直径为0.28nm,无法通过比水分子大 的物质。
• 中心最窄处带正电荷,有效阻止带电离子通 过。
水简单扩散：缓慢通过
水通道蛋白：快速大量
• 据外媒报道，科学家们创造出可以非常有 效地过滤水的微型碳纳米管，有一天可以 帮助将海水转化成饮用水。根据《科学》 杂志上发表的一项研究，这种纳米管与用 于过滤活细胞中水分的某些生物蛋白质类 似，但效率高出六倍。虽然纳米管目前尚 不能用于实际的海水脱盐，但研究人员表 示，他们可以成功地过滤含盐的水。
实验材料:非洲爪蟾卵母细胞
• 该细胞内盐离子浓度与其它动物细胞相当， 但置于低浓度溶液中，短时间内却不会发 生吸水涨破。
把CHIP28蛋白的mRNA注入卵母细胞中。在低浓 度溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于3分钟左 右涨破。
CHIP28 实际上由四个亚基构 成，每个亚基单独的形成一 个供水分子出入的孔道。
• 麦金农１９５６年出生，在 美国波士顿附近的小镇伯灵 顿长大，１９８２年在塔夫 茨医学院获医学博士，现为 洛克菲勒大学分子神经生物 学和生物物理学教授。
水通道蛋白
长期以来普遍认为对于水的运输方式主要有两种：即 简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。 近些年研究者发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透 性很高, 很难用简单扩散来解释。因此，人们推测水的跨 膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出 了水通道的概念。
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对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找一些神经系统疾 病和心血管疾病具体的病因，并研制相应药物。 目前已发现人
体内至少有11种（AQP0～AQP10）水通道蛋白，其中大部分存在肾脏、大脑、 眼睛和心脏中.
水通道的发现开辟了一个新的研究领域。 比如在人的肾脏 中就起着关键的过滤作用。 利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到 治疗疾病的目的,为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。
上图：注入水通道蛋白AQP1mRNA的蛙卵细胞在蒸 馏水中迅速膨胀 下图：正常蛙卵细胞
水通道蛋白 （Aquaporin， AQP），又名水孔蛋 白，是一种位于细胞 膜上对水专一的通道 蛋白（内在膜蛋白）， 在细胞膜上组成“孔 道”，可控制水的进 出，具有介导水的跨 膜转运和调节体内水 代谢平衡的功能。 水通道是快速跨 膜运输水的专用通路。
基本骨架：（6个贯穿膜两面的长α螺旋） 两个嵌入但不贯穿膜的短α螺旋 （顶对顶放置，相对的顶端各拥有一个 Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸组单元。它 们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。）
四聚体 通道管
构成
单聚体（即一个AQP1 分子） 是独立的功能单元
AQP的蛋白构形为 仅能使水分子通过之 原因。
水通道蛋白结构与功能的关系
在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及 整个植物的水平衡。
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二、水通道蛋白的发现
19世纪中叶，人们设想生物器官的表面存 在传输水和小分子溶质的通道“（channel）”。
水通道蛋白的结构与功能
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一、水通道蛋白的重要性 二、水通道蛋白的发现 三、水通道蛋白的结构
四、对水分子的筛选机理
学习交流PPT分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但扩散 速度非常缓慢，科学研究证明，水分子跨越细胞膜的 快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白（ aquaporin, AQP）实现的。
值得一提的是，有些水孔蛋白对溶质的通透不仅局限 于水分子，如AQP8对尿素也有通透性，AQP7对甘油具有 通透性。
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谢谢！
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20世纪50年代后期到80年代中期，一些对 血红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上 可能存在有可以传输水分子的蛋白。
1988年Agre研究组从血红细胞和肾小管中 分离纯化了CHIP28（channel-like integral membrane protein，23kDa），又被命名为
AQP1
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对AQP1晶体学数据分 析表明，水孔蛋白由4个 亚基组成四聚体，每个亚 基都由6个跨膜α螺旋组 成。每个水孔蛋白亚基单 独形成一个供水分子运动 的中央孔，孔的直径稍大 于水分子直径，约0.28nm， 水孔长约2nm。
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1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
水通道蛋白的发现与应用
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克